一种利用全极化SAR数据计算地表均方根高度的方法技术

本发明专利技术提出一种利用全极化SAR数据计算地表均方根高度的方法，该方法的步骤如下，首先，对全极化C波段卫星数据进行预处理，提取四个通道、不同极化后向散射散射系数σvv、σhh、σhv和σvh，以及同极化相关系数ρvvhh；其次，根据同极化相关系数ρvvhh与植被高度h的关系，获得植被高度h；最后，根据交叉极化与同极化dB差值，与h和地表均方根高度s的关系，计算得到地表均方根高度s。

A method for computing the root mean square height of land surface using full polarimetric SAR data

The invention provides a method to calculate surface RMS height using polarimetric SAR data, the method comprises the following steps. First, the polarization of C band satellite data preprocessing, extracting four channels and different polarization backscattering scattering coefficients VV, HH, sigma sigma sigma sigma HV and VH, and the correlation coefficient with the polarization P vvhh; secondly, according to the same polarization correlation coefficient P vvhh and vegetation height h, vegetation height h; finally, according to the cross polarization and polarization difference with dB and h, and the surface RMS height of S, the calculated surface RMS height s.

【技术实现步骤摘要】
一种利用全极化SAR数据计算地表均方根高度的方法
本专利技术涉及微波遥感领域，主要涉及的是一种利用全极化SAR数据计算地表均方根高度的方法
技术介绍
高分辨率的合成孔径雷达(SAR)数据在农作物监测方面有着重要的应用，可用于监测作物的长势、产量及土壤湿度。土壤湿度作为气候与环境干旱化的指示因子，是全球变化研究中的重要监测内容；同时，作为植物生长的基本条件，是旱情监测、农作物估产等方面的重要指标。土壤湿度的传统测量方法都是基于点的测量，测量结果具有时空的不连续性，不利于大范围估计及动态监测。SAR凭借其对土壤湿度高敏感性，能够弥补传统测量方法的不足，成为土壤湿度监测的新方法和手段。国内外学者通过其发展了基于后向散射模型的反演算法以及基于目标分解的极化信息算法。半经验水云模型因其简易性，被广泛应用在植被覆盖区域的散射模型建模中。水云模型将总后向散射系数简化为植被体散射项及经植被双程透过作用衰减的土壤散射项两个部分，忽略多重散射的影响。目前应用于裸露地表的散射模型主要由理论模型——积分方程模型(IEM)、改进的积分方程模型(AIEM)以及经验-半经验模型——Oh模型、Dubois模型及Shi模型等。在植被覆盖区域进行土壤水分反演时，校正地表植被对后向散射的影响十分重要，前人提出了MIMICS模型、水云模型等植被覆盖模型，在实际农作物覆盖区域，植被冠层与茎秆部分无明显区别，运用水云模型更为合适。在地面与雷达入射波相互作用过程中，地面散射特性除了与地表湿度、植被覆盖情况有关外，地表粗糙度参数也是一个主要的决定因素，它影响雷达波的后向散射特征的另一个决定性的因素。地表粗糙度是反映地表蚀变状况的重要地球物理参数之一，是研究地表径流、土壤侵蚀、土壤蓄水能力、渗透速率等陆面过程及其空间变化的重要参数。水流运动方向上由于地表粗糙度的存在，增加了坡面径流阻力，进而降低了水流速度或增加了路径，减小了径流前进方向的流速梯度，从而对地表径流和土壤侵蚀产生一系列影响；同时，土壤表面粗糙度增加后，因阻碍了地表径流，延长了土壤水分的下渗时间，因此土壤的蓄水能力会比较大。所以，地表粗糙度不仅是陆表过程中的重要参量，也是灾害、农业等领域水土流失的重要影响因素。而地表均方根高度是地表粗糙度最重要参数，而现有技术中，从微波遥感数据反演地表均方根高度困难较大，因此本专利技术提出一种利用全极化SAR数据计算地表均方根高度的方法。在微波遥感领域，地表粗糙度一般用两个主要参数进行表征，分别是均方根高度s和表面相关长度1，它们分别从垂直与水平两个方向上对地表粗糙度状况进行刻画。均方根高度s的物理意义假设平面x-y内一点(x，y)的高度为z(x，y)，在表面上取统计意义上有代表性的一块，尺度分别为Lx和Ly，并将原点置于平面中心，则该表面平均高度为：该变量平方的数学期望为：则定义均方根高度s为：对于离散数据，均方根高度s为：式中N为采样个数。本领域中，因为传统裸露地表的散射模型主要是积分方程模型(IEM)、改进的积分方程模型(AIEM)以及经验-半经验模型——Oh模型、Dubois模型及Shi模型等，这些模型都是在裸露地表时具有较好的结果，但在植被覆盖区域区因需校正地表植被对后向散射的影响，所以无法直接用于计算地表均方根高度。在植被模型中，因为未知参数众多，以往工作中大多只关心植被覆盖相关参数和土壤水分等，一直没有一种利用遥感数据有效计算植被覆盖地表粗糙度的方法。本专利技术提出了一种利用全极化SAR数据计算地表均方根高度的方法。
技术实现思路
本专利技术提出了一种利用全极化SAR数据的地表均方根高度的计算方法，该方法的步骤如下：(1)对全极化C波段卫星数据进行预处理，提取四个通道、不同极化后向散射散射系数σvv、σhh、σhv和σvh，以及同极化相关系数ρvvhh；(2)根据同极化相关系数ρvvhh与植被高度h的关系，获得植被高度h；(3)根据交叉极化与同极化dB差值，与h和地表均方根高度s的关系，计算得到地表均方根高度s。在所述步骤(2)中同极化相关系数ρvvhh与植被高度h的关系为：ρvvhh＝-0.01702log(h)+0.824其中相关系数R满足：R2＝0.88。在所述步骤(3)中交叉极化与同极化dB差值，与h和地表均方根高度s的关系为：其中a＝-12.44,b＝-2.42,c＝4.62。本专利技术的有益的效果是，得到了一种利用全极化SAR数据计算植被覆盖地表均方根高度的方法，使之成为另一个可以利用遥感数据有效计算的地表参数之一。附图说明图1为开展算法验证的全极化SAR数据及地面采样点。图2为同极化相关系数与植被高度的关系。图3为植被高度h实测值与植被高度的模拟值的关系。图4为地表均方根高度s实测值与地表均方根高度s模拟值的关系。具体实施方式研究区及数据本专利技术研究区位于内蒙古自治区额尔古纳市的伊根农场及其周边(图1)，位于大兴安岭北段西坡，覆盖范围为东经120°12至122°55'，北纬50°20'至52°30'。其自然地理特点是高纬、高寒，种植作物以小麦、油菜等旱田作物为主；同时，研究区地块范围大大高于图像分辨率，有利于减少混合像元的个数，减少类型的混叠,为实验的开展提供了有利条件。实验采用2016年6月24日获取的RADARSAT-2全极化数据及过境时同期采集的实测采样数据，开展基于RADARSAT-2数据的提取地表土壤湿度的研究。在野外实地采集数据期间(2016年6月23-24日)，获取了一景Radarsat-2数据，过境时间为24日18:27，数据为C波段全极化数据，覆盖范围25×25km。入射角为38°，入射频率约为5.4GHz。并利用欧空局SNAP软件进行了定标及几何校正，同时在SAR影像上提取出每个极化与地面实测点对应的后向散射系数。与卫星过境时间同步测量的地面数据包括：地表粗糙度、土壤湿度、植被相关参数(植被高度、植被含水量)。具体方法本专利技术的方法主要分为三个部分：一是利用SAR全极化数据建立经验关系估算植被高度(h)；二是建立交叉极化与同极化dB差值，与h和地表均方根高度s的关系；三是反演地表均方根高度s。同极化相关系数ρvvhh与h的关系同极化相关系数(ρvvhh)反映了HH极化与VV极化之间的相关性。图2给出了同极化相关系数与植被高度的关系，从图中可以看出，ρvvhh对于植被高度有较高的敏感性。利用最小二乘原理对数据进行拟合，同极化相关系数ρvvhh与植被高度h的关系为ρvvhh＝-0.01702log(h)+0.824，其中相关系数R采用R2＝0.88。结果表明：同极化相关系数与植被高度相关，而与植被类型无关。h、s与的关系根据交叉极化与同极化dB差值，与h和地表均方根高度s的关系，计算得到地表均方根高度s，(a＝-12.44,b＝-2.42,c＝4.62)实验结果验证后向散射系数模拟值与实际值对比反演植被高度h、地表均方根高度s，图3和图4分别给出了植被高度h和地表均方根高度s的实测值和模拟值的关系。从图中的植被高度及地表均方根高度与实测值之间的关系可以看出反演精度较高。在本专利技术中，利用Radarsat-2全极化数据与同期实地测得的外业数据，通过计算植被高度h，最终建立半经验模型关系反演地表均方根高度。本专利技术的优势在于仅利用一景本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用全极化SAR数据计算地表均方根高度的方法，该方法的步骤如下：(1)对全极化C波段卫星数据进行预处理，提取四个通道、不同极化后向散射散射系数σvv、σhh、σhv和σvh，以及同极化相关系数ρvvhh；(2)根据同极化相关系数ρvvhh与植被高度h的关系，获得植被高度h；(3)根据交叉极化与同极化dB差值，与h和地表均方根高度s的关系，计算得到地表均方根高度s。

【技术特征摘要】
1.一种利用全极化SAR数据计算地表均方根高度的方法，该方法的步骤如下：(1)对全极化C波段卫星数据进行预处理，提取四个通道、不同极化后向散射散射系数σvv、σhh、σhv和σvh，以及同极化相关系数ρvvhh；(2)根据同极化相关系数ρvvhh与植被高度h的关系，获得植被高度h；(3)根据交叉极化与同极化dB差值，与h和地表均方根高度s的关系，计算得到地表均方根高度s。2.根据权利要求1所述的方法，所述步骤(2)中同极化...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈权，陶浩然，李震，张平，
申请(专利权)人：中国科学院遥感与数字地球研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11